NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處于最終通過引力波輻射而損失軌道角動量形成雙黑洞并合之前的階段，這個階段對研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)演化至關(guān)重要，為科學(xué)家提供了一個研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的絕佳機會。

茫茫宇宙，布滿了無數(shù)星系與黑洞。它們是自得其樂、相安無事，還是暗自較量、劍拔弩張？

近日，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在距離地球約8900萬光年的寶瓶座NGC 7727星系中心，隱藏著一對即將并合的超大質(zhì)量黑洞。在華中科技大學(xué)物理學(xué)院教授雷衛(wèi)華看來，這意味著，一場“宇宙車禍”在所難免，“傷亡”情況如何，可能需要億萬年的時間來觀測。

超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)源于星系“碰撞”

“就像同星系中兩顆恒星會發(fā)生并合一樣，星系團中星系發(fā)生‘碰撞’的概率也很高。”雷衛(wèi)華說，兩個天體相互碰撞的概率與它們分布的密集程度有關(guān)，可以用兩個天體的平均距離與天體直徑的比值來反映，比值越大則分布越稀疏，發(fā)生碰撞的概率就越小。

雷衛(wèi)華介紹，對于太陽系內(nèi)的行星而言，這個比值約為10萬，銀河系中恒星的這一比值約為百萬，而星系團內(nèi)星系之間的平均距離大約僅是星系直徑的幾十倍，相對而言分布更為密集，相互碰撞的概率更高。所以，星系相互碰撞在宇宙中十分普遍。

科學(xué)觀測表明，很多星系中心都“藏匿”有百萬到百億倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。如通過觀測銀河系中心數(shù)十顆恒星的運動，利用恒星動力學(xué)方法，科學(xué)家測定銀心中存在一顆約400萬倍太陽質(zhì)量的黑洞。

“越來越多的證據(jù)表明，每個星系中心都可能隱藏著一個超大質(zhì)量黑洞�！崩仔l(wèi)華表示，早在2017年，天文學(xué)家便利用事件視界望遠(yuǎn)鏡，首次拍攝到距離地球5600萬光年的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞（約60億倍太陽質(zhì)量）的陰影。

雷衛(wèi)華說，更大的新星系伴隨星系“碰撞”產(chǎn)生。星系中心將形成間距1到100千秒差距（1秒差距約為3.26光年）的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。

目前，科學(xué)家觀測這類超大質(zhì)量雙黑洞，主要是通過高分辨率多波段望遠(yuǎn)鏡，對雙黑洞軌道進(jìn)動導(dǎo)致的特性星系形態(tài)、稍小黑洞穿過大質(zhì)量黑洞吸積盤時所產(chǎn)生的準(zhǔn)周期性光變、雙黑洞產(chǎn)生的譜線雙峰結(jié)構(gòu)以及雙黑洞潮汐瓦解形成的間歇性光變等進(jìn)行觀測。

超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的演化分為三個階段。首先，雙黑洞各自與其周圍物質(zhì)和恒星相互作用，逐漸靠近；其次，通過動力學(xué)摩擦和拋射恒星等過程，雙黑洞距離進(jìn)一步減小，但隨著周圍恒星被逐漸拋射掉，雙黑洞靠近變得越來越困難，形成“最終秒差距問題”（兩個黑洞的間距會在1秒差距后便無法再靠近），這可以通過考慮星系并合形成非球?qū)ΨQ物質(zhì)分布等方式解決；最后，如果兩顆黑洞靠得足夠近，其軌道演化將由引力波輻射主導(dǎo)，導(dǎo)致超大質(zhì)量雙黑洞快速演化直至最終發(fā)生并合。

有助于了解銀河系與仙女座星系并合

雷衛(wèi)華說，這次發(fā)現(xiàn)的超大質(zhì)量雙黑洞，距離我們只有8900萬光年，是目前為止已發(fā)現(xiàn)的距離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。

在此之前，科學(xué)家探測到離地球最近的超大質(zhì)量雙黑洞位于4.7億光年之遙的星系NGC 6240，比NGC 7727遠(yuǎn)6倍左右。研究還發(fā)現(xiàn)，NGC 7727本身就是兩個小的漩渦星系在大約10億年前碰撞的結(jié)果。

雷衛(wèi)華認(rèn)為，NGC 7727離地球如此之近，為科學(xué)家提供了一個研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)的絕佳機會。

通過高分辨率光譜觀測，科學(xué)家可以分辨出黑洞周圍的恒星動力學(xué)信息。研究人員首次直接測出這兩個超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量，分別為1.5億倍太陽質(zhì)量和630萬倍太陽質(zhì)量。同時，分辨出這兩個超大質(zhì)量雙黑洞相距只有500秒差距（約1600光年）。

“這是首個利用動力學(xué)方法，確認(rèn)間距小于千秒差距的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。”雷衛(wèi)華說。

間距如此之小，意味著NGC 7727中心超大質(zhì)量雙黑洞將會很快并合。雷衛(wèi)華介紹，這個“很快”是相對宇宙演化而言，實際上并合將發(fā)生于2.5億年后，大概相當(dāng)于太陽系繞銀河系一周再次回到原點所需要的時間，“我們肯定是無法見證這一壯觀的并合過程了�！�

事實上，科學(xué)家不止一次發(fā)現(xiàn)即將并合的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及通過其他方式（多為利用雙黑洞導(dǎo)致的間接效應(yīng)）發(fā)現(xiàn)的一些候選體，但因觀測的不確定性，這些候選體是否為超大質(zhì)量雙黑洞本身就存在較多爭議，且這些候選體都離地球太遠(yuǎn)，更難確定雙黑洞的間距以及并合時間。

雷衛(wèi)華說，這次發(fā)現(xiàn)極具吸引力，一旦最終研究結(jié)果得以確認(rèn)，將具有重要的科學(xué)意義。NGC 7727距離地球很近，且雙黑洞的距離正好處于最終通過引力波輻射而損失軌道角動量形成雙黑洞并合之前的階段，這個階段對研究超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)演化至關(guān)重要。其自身蘊含著豐富的電磁輻射現(xiàn)象，可能會出現(xiàn)如兩個明亮的X射線核或射電核、周期性光變、雙峰發(fā)射線等特征。

同時，該發(fā)現(xiàn)也強烈暗示著，在本地宇宙中，存在很多類似這樣的超大質(zhì)量雙黑洞等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。研究這些系統(tǒng)，對我們了解未來銀河系與仙女座星系的并合幫助很大。

銀河系“車禍”不會殃及地球

科學(xué)家一致認(rèn)為，雙黑洞并合的結(jié)果是在星系中心誕生一個質(zhì)量更大的超大質(zhì)量黑洞，這是黑洞增長形成超大質(zhì)量黑洞的主要途徑。

雷衛(wèi)華說，與恒星級雙黑洞并合一樣，星系中心超大質(zhì)量雙黑洞的并合也會產(chǎn)生很強的引力波輻射。2016年，美國激光干涉引力波天文臺首次直接探測到恒星級質(zhì)量雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波事件GW150914，開啟了引力波天文學(xué)新紀(jì)元。

雷衛(wèi)華介紹，超大質(zhì)量雙黑洞并合所產(chǎn)生的引力波頻率不在地面引力波探測器激光干涉引力波天文臺的探測范圍。對于百萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量雙黑洞并合事件，其輻射的引力波頻率在毫赫茲頻段，這是未來空間低頻引力波探測器，如我國的“天琴”“太極”和歐洲LISA項目主要的探測對象。而幾億到幾十億太陽質(zhì)量的雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波頻率在極低頻（納赫茲到微赫茲），只能通過脈沖星計時陣列進(jìn)行探測。

兩個星系相撞，會出現(xiàn)恒星“打群架”的場景嗎？距離地球如此近，會對我們造成什么影響嗎？“星系的并合對整個星系而言，并無毀滅性影響�！崩仔l(wèi)華肯定地說，星系中恒星之間的距離，相對恒星大小來說非常遙遠(yuǎn)，兩個星系中恒星相互碰撞的概率極低，因此這類并合不會導(dǎo)致大量恒星對撞的災(zāi)難場面。

他認(rèn)為，銀河系與同處本星系團的仙女座星系并合尚且如此，距離8900萬光年的NGC 7727，就更加不用我們“操心”了。星系并合導(dǎo)致的超大質(zhì)量雙黑洞并合除了產(chǎn)生較強的低頻引力波輻射，以及導(dǎo)致星系形態(tài)的變化之外，不會對地球構(gòu)成影響。

超大質(zhì)量雙黑洞在宇宙中存量很大，其產(chǎn)生的很多引力波因為太弱而無法分辨，這些信號疊加形成了引力波背景噪聲�？茖W(xué)家通過探測這些引力波背景噪聲，就可以估算出有多少超大質(zhì)量雙黑洞正在向地球輻射引力波。

目前，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到不少黑洞并合的“宇宙車禍現(xiàn)場”。這種并合是星系增長的主要方式。研究表明，大質(zhì)量星系可能是次級星系多次并合的結(jié)果。并合也是星系形態(tài)形成的原因。碰撞過程中，星系中的氣體壓縮，使得大量恒星快速形成，星暴星系由此形成。

同時，部分特殊形態(tài)的星系也可能由碰撞而來，如車輪星系可能是一個小星系垂直穿過一個大漩渦星系的結(jié)果。（記者 吳純新）

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